航海模拟器的锚泊操纵自动评估系统
蒋效彬 任鸿翔 王德龙 房希旺
摘要：
为提高对船员的锚泊操纵进行评估的效率、客观性和科学性，在航海模拟器中建立锚泊操纵自动评估系统.通过专家评估法获得与锚泊操纵相关的评价指标，确定评价指标的权重值和标准值，应用模糊综合评判法建立锚泊操纵的自动评估模型.利用面向对象的Visual C++语言开发了锚泊操纵自动评估系统，实现出题、答题与评估、数据管理等功能模块.该系统在大连海事大学自主研发的V_Dragon 3000航海模拟器中的测试表明，系统得出的评估结果与教练员的评估结果基本一致，能够客观、准确地对船员的锚泊操纵进行自动评价，能够满足自动评估要求.
关键词：
航海模拟器； 锚泊操纵； 自动评估系统； 评价指标
中图分类号： U666.158
0 引 言
目前我国船员理论考试已实现了计算机统考，实操评估考试还由各直属海事局负责，实操评估存在主观随意性较大、评估标准不统一等问题.航海模拟器己经在航海教育培训中得到广泛应用，基于航海模拟器开发实操自动评估系统具有现实意义.国内外一些学者对这方面进行了研究，如：HARRO[1]根据避碰规则设计了关于避碰的自动评估系统；周振超[2]利用模糊综合评价法对航海仿真环境下的海员考试与评估系统进行理论分析；陶俊等[3]通过专家调查法对船舶进出港进行评估；房希旺[4]通过模糊综合评价法建立了靠离泊操纵的评估模型；王德龙等[5]完成了船舶操纵模拟器实操自动评估系统的初步构建.目前国内关于航海模拟器中锚泊操纵的自动评估还没有系统的研究，研发锚泊操纵自动评估系统，一方面可以检验船员掌握锚泊操纵的相关知识和技能，促进船员锚泊操纵水平的提升，另一方面可以减轻评估人员的工作量，提高评估的客观性与科学性.本文基于大连海事大学的V_Dragon 3000航海模拟器，对锚泊操纵的评估方法、评估模型进行深入研究，搭建包括出题、答题与评估、数据管理等功能的自动评估系统.
1 评估模型的建立
实操自动评估系统需要在船员答题过程中实时获取船舶航行状态和船员的操作数据，在答题结束后，通过评估模型计算出最终成绩.评估模型是自动评估系统的核心，建立科学、合理的评估模型是保证评估结果准确、公平的关键[6].建立评估模型主要包括四个方面的工作，即评价方法的选取、评价指标的建立、评价指标隶属度函数的确定、评价指标标准值与权重值的计算.
1.1 评价方法
当前可以应用的评估方法较多，如：模糊综合评价法、系统工程分析评价法、概率风险评价法、危险度分级法、安全指数法等[7].锚泊操纵结果的优劣受外界环境、船舶状况和操纵人员操纵技能的影响，因此对锚泊操纵的评估是一项较复杂的系统工程[8].为保证评估的准确性，本文的评估模型采用专家评估法与隶属函数评估法相结合的方法，即先确定锚泊操纵的评价指标体系，针对不同的评价指标建立相应的隶属度函数，得到每个评价指标的隶属度值，再结合专家评估法及层次分析法给出的权重值，加权平均得到船员的评估成绩.
1.2 评价指标
锚泊操纵方式分为单锚泊操纵和双锚泊操纵两种，双锚泊可进一步分为八字锚、一字锚和平行锚.运输船舶最常用的锚泊方式是单锚泊，故本文仅对单锚泊进行分析.锚泊操纵过程中需要考虑的主要因素[9]有：（1）进入锚地路线、锚位选择；（2）船位、
船速、姿态控制；（3）根据水深和船舶条件选择抛锚方法；（4）锚链长度控制；（5）锚抓底判断.经过对各种资料的分析和大量的专家调查问卷，按照指标选取的全面性、动态性、可操作性等原则，确定了单锚泊操纵的评价指标，见图1.
1.3 评价指标隶属度函数
为提高评估的准确性，自动评估系统尽可能地把影响因素量化，参考相关航海理论以及航海惯例，建立描述模糊概念的候选隶属度函数，利用最小化模糊度的原则确定评价指标的隶属度函数.但有些因素很难量化，只能对其进行定性分析，在这里把相应的评价结果设定为0或1，即满足定性分析的结果时，隶属度值为1，反之则为0.关于锚泊操纵评价指标的隶属度函数的获取方法大致相同，本文将主要对锚位精度、抛锚船速、抛锚艏向、出链长度等评价指标的隶属度函数进行分析.
1.3.1 锚位精度
抛锚时能把船停在指定的锚位是对船员操纵水平的一个重要考验.抛锚时锚位精度的评判标准是抛锚时锚的位置与指定的抛锚位置之间的距离，即锚距离指定的锚位越近，船员的抛锚操作水平越高.根据实船操纵经验，取一倍船宽作为锚位精度的最大误差.抛锚时锚位精度d的隶属度函数为
1.3.2 抛锚船速
单锚泊操纵有前进抛锚法和后退抛锚法两种方法.前进抛锚法仅适用于小型船舶或军舰，一般商船为保证抛锚后抓牢海底，多采用后退抛锚法.航海模拟器中的船舶以商船为主，因此本文主要针对后退抛锚法进行研究.抛锚时的对地退速大小比较难以判断，一般认为船舶对地略有退速时为抛锚的最佳时机.退速的大小主要取决于船舶排水量：小型船舶退速不超过2 kn，中型船舶退速不超过1 kn，大型船舶退速不超过0.5 kn，VLCC抛锚时的退速更小.抛锚时退速v的隶属度函数为
1.3.3 抛锚艏向
船舶抛锚时艏向与风、流合作用力方向的夹角，对锚泊操纵的安全及锚抓底的牢固程度具有直接的影响.为保证抛锚时的安全并有利于锚抓底，抛锚时艏向与风、流合作用力方向的夹角越小越好，一般不宜大于15°，切忌在横风、横流时抛锚.本文将15°作为抛锚时艏向与风、流合作用力方向夹角的标准值.艏向α的隶属度函数为
1.3.4 出链长度
安全锚泊的前提条件是确保足够的锚泊力，这就需要在锚泊操纵结束时松出一定的锚链，以抵御作用于锚泊船的合外力[10].由文献[11]得到安全锚泊的必要条件为锚泊力能够抵御作用于锚泊船的合外力，由此得到保证锚泊安全所需的总出链长度为
1.4 评价指标标准值与权重值
评价指标的标准值采用专家调查法确定，即根据资料分析、专家意见及航海惯例，对每个评价指标进行分析并确定评价指标标准值.评价指标权重值采用层次分析法确定.利用19标度法确定评价指标相对重要程度，构造判断矩阵；求出判断矩阵最大特征根及对应的特征向量；最后对特征向量进行归一化处理，得到W=（ω1，ω2，…，ωn），其中ωi为对应评价指标的权重值.最后采用加权平均法计算出船员锚泊操纵的结果，最终的评估成绩可表示为
式中： μi，ωi分别为评价指标i的隶属度值和权重值.默认情况下会给出评价指标的标准值和权重值作为初始参考值，专家可以根据具体条件再对其进行修改，这样可以增加出题的灵活性.各评价指标初始标准值和权重值见表1.
2 评估系统的实现
本文在大连海事大学开发的航海模拟器基础上，利用Visual C++语言开发了锚泊操纵自动评估系统，实现了出题、答题与评估、数据管理等功能模块.大连海事大学航海模拟器由一个教练站（即试题编辑端）和多个本船（即考试端）构成.出题模块位于教练站，题目编辑完成后保存成试题文件.答题与评估模块在本船的电子海图机器中，本船收到试题文件后，启动模拟器程序，并初始化试题环境，船员在本船中操纵答题.船员在所有操纵完成后提交试题，系统会根据船员的操纵数据给出成绩，同时通过数据管理模块把船员操作的相关数据、成绩信息等存入数据库中.锚泊操纵自动评估系统的整体架构见图2.
2.1 出题
在航海模拟器的教练站出题时，先进行练习设置，再进行评估设置，即先设定海图、本船、目标船的初始信息及风、流航行环境等，而后系统会根据设定的练习给出缺省的评价指标，以及每个评价指标对
应的标准值、权重值、隶属度参数和相应的隶属度曲线.教练员可以根据经验以及实际情况增加或者删除评价指标，改变评价指标的标准值、权重值，调整隶属度参数值等，评价指标设置界面见图3.教练站出好的试题保存成文件，并发送到航海模拟器的本船中.
2.2 答题及评估
航海模拟器的本船收到试题信息后，启动模拟器程序，初始化试题环境；船员在本船中操纵船舶进行答题；系统根据船员的操纵数据给出评估结果.为增加锚泊操纵的真实感，本文在模拟器原有二维锚泊操纵界面（见图4）基础上，利用Unity 3D引擎开发了三维锚泊操纵场景，见图5.在三维场景中，船员可用鼠标操纵离合器、止链器、锚链孔罩、固定钢丝、刹车等锚机部件，操纵流程与实船一样.原有的二维操纵界面与新开发的三维操纵场景之间可以联动，船员既可使用二维界面也可使用三维场景对锚泊进行操纵.
为使自动评估更加准确合理，同时增加系统的灵活性，评估系统在自动给出评估成绩的同时，教练员还可以选择人工评判，从而实现自动评估与人工评估的对比.为防止自动评估成绩对人工评估产生干扰，在设计程序时首先让评估人员选择是否进行人工评判，如果选择“是”，则隐藏自动评估成绩，等评估人员给出人工评估成绩并点击“自动评估成绩”按钮后再显示自动评估成绩.如果选择“否”，则直接显示自动评估成绩.在评估系统开发初期通过大量的这种成绩对比，可以分析自动评估模型的不足并加以改进.评估的具体流程见图6.
2.3 数据管理
为获得更多评估数据，程序添加了数据管理功能.数据库不仅可以保存最终的考试成绩，也可以实时记录船员操纵的相关数据，如船泊动态信息、风流环境信息、船舶操作数据等，为以后总结并改进评估
3 结束语
对航海模拟器锚泊操纵评估模型进行了深入研究，开发出了锚泊操纵自动评估系统.该系统在大连海事大学自主研发的V_Dragon 3000航海模拟器中进行了多次测试.由该系统得出的评估结果与教练员的人工评估结果基本一致，能够客观、准确地对船员的锚泊操纵进行自动评价，基本能够满足自动评估要求.
参考文献：
[1]HARRO G.Simulator training and the internet[C]//CAORF July 37 2000. 2000： 18.
[2]周振超. 狭水道船舶操纵安全综合评价[D]. 上海： 上海海事大学， 2005.
[3]陶俊， 尹勇， 廉静静. 航海模拟器中船舶进港训练评估系统的研究[J]. 舰船电子工程， 2011， 31（2）： 119122.
[4]房希旺. 基于航海模拟器的操船评估模型及应用[D]. 大连： 大连海事大学， 2008.
[5]王德龙， 任鸿翔， 赵月林， 等. 船舶操纵模拟器进出港操纵自动评估系统[J]. 大连海事大学学报， 2014， 40（2）： 2730.
[6]YANG Yufeng. The design and development of the autoevaluation system on China coast guard vessel simulator[C]//Proceedings of 2009 4th International Conference on Computer Science & Education. 2009： 12311234.
[7]刘军坡. 基于模糊模式识别的碰撞危险度评判方法[D]. 大连： 大连海事大学， 2011.
[8]陈锦标， 吴广宇， 应士君. 基于灰色模糊综合评估法的大型船舶模拟操纵评价[J]. 上海海事大学学报， 2008， 29（4）： 15.
[9]顾民权. 海港工程设计手册（上）[M]. 北京： 人民交通出版社， 2001： 319321.
[10]吴金龙， 吴彬贵， 刘大刚， 等. 天津港锚地大风条件下锚泊船安全评估系统[J]. 大连海事大学学报， 2013， 39（1）： 4952.
[11]洪碧光. 船舶操纵[M]. 大连： 大连海事大学出版社， 2008： 144146.
（编辑 赵勉）
摘要：
为提高对船员的锚泊操纵进行评估的效率、客观性和科学性，在航海模拟器中建立锚泊操纵自动评估系统.通过专家评估法获得与锚泊操纵相关的评价指标，确定评价指标的权重值和标准值，应用模糊综合评判法建立锚泊操纵的自动评估模型.利用面向对象的Visual C++语言开发了锚泊操纵自动评估系统，实现出题、答题与评估、数据管理等功能模块.该系统在大连海事大学自主研发的V_Dragon 3000航海模拟器中的测试表明，系统得出的评估结果与教练员的评估结果基本一致，能够客观、准确地对船员的锚泊操纵进行自动评价，能够满足自动评估要求.
关键词：
航海模拟器； 锚泊操纵； 自动评估系统； 评价指标
中图分类号： U666.158
0 引 言
目前我国船员理论考试已实现了计算机统考，实操评估考试还由各直属海事局负责，实操评估存在主观随意性较大、评估标准不统一等问题.航海模拟器己经在航海教育培训中得到广泛应用，基于航海模拟器开发实操自动评估系统具有现实意义.国内外一些学者对这方面进行了研究，如：HARRO[1]根据避碰规则设计了关于避碰的自动评估系统；周振超[2]利用模糊综合评价法对航海仿真环境下的海员考试与评估系统进行理论分析；陶俊等[3]通过专家调查法对船舶进出港进行评估；房希旺[4]通过模糊综合评价法建立了靠离泊操纵的评估模型；王德龙等[5]完成了船舶操纵模拟器实操自动评估系统的初步构建.目前国内关于航海模拟器中锚泊操纵的自动评估还没有系统的研究，研发锚泊操纵自动评估系统，一方面可以检验船员掌握锚泊操纵的相关知识和技能，促进船员锚泊操纵水平的提升，另一方面可以减轻评估人员的工作量，提高评估的客观性与科学性.本文基于大连海事大学的V_Dragon 3000航海模拟器，对锚泊操纵的评估方法、评估模型进行深入研究，搭建包括出题、答题与评估、数据管理等功能的自动评估系统.
1 评估模型的建立
实操自动评估系统需要在船员答题过程中实时获取船舶航行状态和船员的操作数据，在答题结束后，通过评估模型计算出最终成绩.评估模型是自动评估系统的核心，建立科学、合理的评估模型是保证评估结果准确、公平的关键[6].建立评估模型主要包括四个方面的工作，即评价方法的选取、评价指标的建立、评价指标隶属度函数的确定、评价指标标准值与权重值的计算.
1.1 评价方法
当前可以应用的评估方法较多，如：模糊综合评价法、系统工程分析评价法、概率风险评价法、危险度分级法、安全指数法等[7].锚泊操纵结果的优劣受外界环境、船舶状况和操纵人员操纵技能的影响，因此对锚泊操纵的评估是一项较复杂的系统工程[8].为保证评估的准确性，本文的评估模型采用专家评估法与隶属函数评估法相结合的方法，即先确定锚泊操纵的评价指标体系，针对不同的评价指标建立相应的隶属度函数，得到每个评价指标的隶属度值，再结合专家评估法及层次分析法给出的权重值，加权平均得到船员的评估成绩.
1.2 评价指标
锚泊操纵方式分为单锚泊操纵和双锚泊操纵两种，双锚泊可进一步分为八字锚、一字锚和平行锚.运输船舶最常用的锚泊方式是单锚泊，故本文仅对单锚泊进行分析.锚泊操纵过程中需要考虑的主要因素[9]有：（1）进入锚地路线、锚位选择；（2）船位、
船速、姿态控制；（3）根据水深和船舶条件选择抛锚方法；（4）锚链长度控制；（5）锚抓底判断.经过对各种资料的分析和大量的专家调查问卷，按照指标选取的全面性、动态性、可操作性等原则，确定了单锚泊操纵的评价指标，见图1.
1.3 评价指标隶属度函数
为提高评估的准确性，自动评估系统尽可能地把影响因素量化，参考相关航海理论以及航海惯例，建立描述模糊概念的候选隶属度函数，利用最小化模糊度的原则确定评价指标的隶属度函数.但有些因素很难量化，只能对其进行定性分析，在这里把相应的评价结果设定为0或1，即满足定性分析的结果时，隶属度值为1，反之则为0.关于锚泊操纵评价指标的隶属度函数的获取方法大致相同，本文将主要对锚位精度、抛锚船速、抛锚艏向、出链长度等评价指标的隶属度函数进行分析.
1.3.1 锚位精度
抛锚时能把船停在指定的锚位是对船员操纵水平的一个重要考验.抛锚时锚位精度的评判标准是抛锚时锚的位置与指定的抛锚位置之间的距离，即锚距离指定的锚位越近，船员的抛锚操作水平越高.根据实船操纵经验，取一倍船宽作为锚位精度的最大误差.抛锚时锚位精度d的隶属度函数为
1.3.2 抛锚船速
单锚泊操纵有前进抛锚法和后退抛锚法两种方法.前进抛锚法仅适用于小型船舶或军舰，一般商船为保证抛锚后抓牢海底，多采用后退抛锚法.航海模拟器中的船舶以商船为主，因此本文主要针对后退抛锚法进行研究.抛锚时的对地退速大小比较难以判断，一般认为船舶对地略有退速时为抛锚的最佳时机.退速的大小主要取决于船舶排水量：小型船舶退速不超过2 kn，中型船舶退速不超过1 kn，大型船舶退速不超过0.5 kn，VLCC抛锚时的退速更小.抛锚时退速v的隶属度函数为
1.3.3 抛锚艏向
船舶抛锚时艏向与风、流合作用力方向的夹角，对锚泊操纵的安全及锚抓底的牢固程度具有直接的影响.为保证抛锚时的安全并有利于锚抓底，抛锚时艏向与风、流合作用力方向的夹角越小越好，一般不宜大于15°，切忌在横风、横流时抛锚.本文将15°作为抛锚时艏向与风、流合作用力方向夹角的标准值.艏向α的隶属度函数为
1.3.4 出链长度
安全锚泊的前提条件是确保足够的锚泊力，这就需要在锚泊操纵结束时松出一定的锚链，以抵御作用于锚泊船的合外力[10].由文献[11]得到安全锚泊的必要条件为锚泊力能够抵御作用于锚泊船的合外力，由此得到保证锚泊安全所需的总出链长度为
1.4 评价指标标准值与权重值
评价指标的标准值采用专家调查法确定，即根据资料分析、专家意见及航海惯例，对每个评价指标进行分析并确定评价指标标准值.评价指标权重值采用层次分析法确定.利用19标度法确定评价指标相对重要程度，构造判断矩阵；求出判断矩阵最大特征根及对应的特征向量；最后对特征向量进行归一化处理，得到W=（ω1，ω2，…，ωn），其中ωi为对应评价指标的权重值.最后采用加权平均法计算出船员锚泊操纵的结果，最终的评估成绩可表示为
式中： μi，ωi分别为评价指标i的隶属度值和权重值.默认情况下会给出评价指标的标准值和权重值作为初始参考值，专家可以根据具体条件再对其进行修改，这样可以增加出题的灵活性.各评价指标初始标准值和权重值见表1.
2 评估系统的实现
本文在大连海事大学开发的航海模拟器基础上，利用Visual C++语言开发了锚泊操纵自动评估系统，实现了出题、答题与评估、数据管理等功能模块.大连海事大学航海模拟器由一个教练站（即试题编辑端）和多个本船（即考试端）构成.出题模块位于教练站，题目编辑完成后保存成试题文件.答题与评估模块在本船的电子海图机器中，本船收到试题文件后，启动模拟器程序，并初始化试题环境，船员在本船中操纵答题.船员在所有操纵完成后提交试题，系统会根据船员的操纵数据给出成绩，同时通过数据管理模块把船员操作的相关数据、成绩信息等存入数据库中.锚泊操纵自动评估系统的整体架构见图2.
2.1 出题
在航海模拟器的教练站出题时，先进行练习设置，再进行评估设置，即先设定海图、本船、目标船的初始信息及风、流航行环境等，而后系统会根据设定的练习给出缺省的评价指标，以及每个评价指标对
应的标准值、权重值、隶属度参数和相应的隶属度曲线.教练员可以根据经验以及实际情况增加或者删除评价指标，改变评价指标的标准值、权重值，调整隶属度参数值等，评价指标设置界面见图3.教练站出好的试题保存成文件，并发送到航海模拟器的本船中.
2.2 答题及评估
航海模拟器的本船收到试题信息后，启动模拟器程序，初始化试题环境；船员在本船中操纵船舶进行答题；系统根据船员的操纵数据给出评估结果.为增加锚泊操纵的真实感，本文在模拟器原有二维锚泊操纵界面（见图4）基础上，利用Unity 3D引擎开发了三维锚泊操纵场景，见图5.在三维场景中，船员可用鼠标操纵离合器、止链器、锚链孔罩、固定钢丝、刹车等锚机部件，操纵流程与实船一样.原有的二维操纵界面与新开发的三维操纵场景之间可以联动，船员既可使用二维界面也可使用三维场景对锚泊进行操纵.
为使自动评估更加准确合理，同时增加系统的灵活性，评估系统在自动给出评估成绩的同时，教练员还可以选择人工评判，从而实现自动评估与人工评估的对比.为防止自动评估成绩对人工评估产生干扰，在设计程序时首先让评估人员选择是否进行人工评判，如果选择“是”，则隐藏自动评估成绩，等评估人员给出人工评估成绩并点击“自动评估成绩”按钮后再显示自动评估成绩.如果选择“否”，则直接显示自动评估成绩.在评估系统开发初期通过大量的这种成绩对比，可以分析自动评估模型的不足并加以改进.评估的具体流程见图6.
2.3 数据管理
为获得更多评估数据，程序添加了数据管理功能.数据库不仅可以保存最终的考试成绩，也可以实时记录船员操纵的相关数据，如船泊动态信息、风流环境信息、船舶操作数据等，为以后总结并改进评估
3 结束语
对航海模拟器锚泊操纵评估模型进行了深入研究，开发出了锚泊操纵自动评估系统.该系统在大连海事大学自主研发的V_Dragon 3000航海模拟器中进行了多次测试.由该系统得出的评估结果与教练员的人工评估结果基本一致，能够客观、准确地对船员的锚泊操纵进行自动评价，基本能够满足自动评估要求.
参考文献：
[1]HARRO G.Simulator training and the internet[C]//CAORF July 37 2000. 2000： 18.
[2]周振超. 狭水道船舶操纵安全综合评价[D]. 上海： 上海海事大学， 2005.
[3]陶俊， 尹勇， 廉静静. 航海模拟器中船舶进港训练评估系统的研究[J]. 舰船电子工程， 2011， 31（2）： 119122.
[4]房希旺. 基于航海模拟器的操船评估模型及应用[D]. 大连： 大连海事大学， 2008.
[5]王德龙， 任鸿翔， 赵月林， 等. 船舶操纵模拟器进出港操纵自动评估系统[J]. 大连海事大学学报， 2014， 40（2）： 2730.
[6]YANG Yufeng. The design and development of the autoevaluation system on China coast guard vessel simulator[C]//Proceedings of 2009 4th International Conference on Computer Science & Education. 2009： 12311234.
[7]刘军坡. 基于模糊模式识别的碰撞危险度评判方法[D]. 大连： 大连海事大学， 2011.
[8]陈锦标， 吴广宇， 应士君. 基于灰色模糊综合评估法的大型船舶模拟操纵评价[J]. 上海海事大学学报， 2008， 29（4）： 15.
[9]顾民权. 海港工程设计手册（上）[M]. 北京： 人民交通出版社， 2001： 319321.
[10]吴金龙， 吴彬贵， 刘大刚， 等. 天津港锚地大风条件下锚泊船安全评估系统[J]. 大连海事大学学报， 2013， 39（1）： 4952.
[11]洪碧光. 船舶操纵[M]. 大连： 大连海事大学出版社， 2008： 144146.
（编辑 赵勉）
